estudio de las etapas de automatización de un proceso

Trabajo final de grado

Grado en Ingeniería industrial electrónica y automática

ESTUDIO DE LAS ETAPAS DE

AUTOMATIZACIÓN DE UN PROCESO

INDUSTRIAL: COMUNICACIONES Y

OPERACIÓN

MEMORIA

Autor: Nil Munuera Cano

Director: Miguel Delgado Prieto

Co-Director: Ángel Fernández Sobrino

Convocatoria: Enero 2020

Estudio de las etapas de automatización de un proceso industrial: Comunicaciones y operación


ii

Resumen:

Se realiza un estudio de la sucesión de etapas que se llevan a cabo en la

automatización de un proceso industrial.

Se inicia el estudio haciendo referencia a la evolución de la automatización

industrial en los procesos productivos, y el efecto que supone la aprición de las

tecnologías de comunicación.

Posteriormente se procede al estado del arte de los controladores lógicos

programables, y su importancia en los sistemas automatizados.

Conociendo las características de los controladores, se realiza la

Implementación de tecnologias de comunicación mediante los buses de campo.

Introducción a los buses de comunicación profibus Dp, y CAN con sus

respectivas tramas de datos, así como las redes ethernet y sus respectivos

protocolos de aplicación en el modelo OSI.

Aplicar la infromación anterior para elaborar el diseño de los procesos de

automatización de la célula flexible, para su posterior traducción a lenguaje de

programación de dichos diseños.

Para finalizar, elaborar una validación de las pruebas realizadas en el diseño y

programación de los automatismos.


iii

Abstract:

Study of the all of stages that are carried out in the automation of an industrial

process.

The study begins by referring to the evolution of industrial automation in

production processes, and the effect that it implies the aparition of new

comunication tecnologies.

Subsequently it proceed to the state of the art of programmable logic

controllers, and their relevance in automated systems.

Knowing the characteristics of the controllers, the implementation of

communication technologies is developed through field buses. Introduction to

comunication buses profibus Dp, and CAN with its respectives data frames, as

well as ethernet networks and their application protocols in the OSI model.

Apply the information below to elaborate the design of the automation

processes in the flexible cell, for its subsequent translation into the

programming language of these designs.

Finally, prepare a validation of the tests performed in the design and

programming of the automatisms.


iv

Agradecimientos:

Quiero expresar mi agradecmiento a MIGUEL DELGADO PRIETO como

director del proyecto por darme la oportunidad de elaborar el trabajo final de

grado en el laboratorio de automatización, así como el soporte en la realización

del mismo.

También agradecer a ÁNGEL FERNÁNDEZ SOBRINO como coordinador del

laboratorio por orientarme en el desarrollo de las aplicaciones.

En especial agradezo a mis familiares y a mi pareja TANIA por dedicarme su

apoyo en todo momento durante la realización del proyecto.


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ÍNDICE:

1. Introducción: ................................................................................................ 1

1.1. Descripción del trabajo: ......................................................................... 1

1.2. Objetivos del estudio: ............................................................................ 1

1.3. Alcance del estudio: .............................................................................. 2

1.4. Requisitos del estudio: .......................................................................... 2

1.5. Contexto tecnológico: ............................................................................ 3

1.5.1. Industria 4.0: ................................................................................ 4

2. Consideraciones previas, el controlador lógico programable: ...................... 5

2.1. Antecedentes: ....................................................................................... 5

2.1.1. Evolución: .................................................................................... 6

2.1.2. Fabricantes: ................................................................................. 7

2.1.3. Tipos de PLC: .............................................................................. 7

2.1.4. Elementos de un PLC:................................................................. 8

2.1.4.1. Unidad central del proceso (CPU): ........................................... 8

2.1.4.1.1. Tipos de memoria: ................................................................ 9

2.1.4.2. Módulos E/S: ............................................................................ 9

2.1.4.3. Bastidor: ................................................................................. 10

2.2. Lenguajes de programación: ............................................................... 10

3. Consideraciones previas, las comunicaciones Industriales: ...................... 15

3.1. Norma física RS-485: .......................................................................... 16

3.2. Buses de campo: ................................................................................ 20

3.2.1. Profibus DP: .............................................................................. 20

3.2.2. Bus CAN: ................................................................................... 25

3.3. Modelo OSI: ........................................................................................ 30

3.4. Ethernet: .............................................................................................. 32

3.4.1. Modelo OSI en Ethernet: ........................................................... 33

3.4.1.1. Medio físico: ........................................................................... 33

3.4.1.1.1. Cableado RJ45: .................................................................. 33

3.4.1.2. Protocolo IP: ........................................................................... 34

3.4.1.3. Protocolo TCP: ....................................................................... 35

3.4.1.4. Modbus: ................................................................................. 35

4. Descripción del sistema: ............................................................................ 37

4.1. Célula flexible: ..................................................................................... 37


vi

4.1.1. Islas Advantys: .......................................................................... 38

4.1.2. Líneas: ....................................................................................... 38

4.1.3. Componentes: ........................................................................... 41

4.1.3.1. Sensores: ............................................................................... 41

4.1.3.1.1. Sensores Fotoeléctricos: .................................................... 41

4.1.3.1.2. Sensores inductivos: .......................................................... 42

4.1.3.2. Pre actuadores: ...................................................................... 43

4.1.3.3. Actuadores neumáticos: ......................................................... 44

4.1.3.4. Motores: ................................................................................. 44

4.1.3.5. Elementos de mando y señalización: ..................................... 45

4.2. Pulmón: ............................................................................................... 46

4.2.1. Componentes: ........................................................................... 46

4.2.1.1. Sensores: ............................................................................... 46

4.2.1.2. Actuadores: ............................................................................ 48

4.2.1.5. Elementos de mando y señalización: ..................................... 51

5. Diseño del automatismo programable: ...................................................... 52

5.1. Diagrama sensor/retenedor: ............................................................... 52

5.2. Diagrama plataforma: .......................................................................... 54

5.3. Diagrama línea profibus: ..................................................................... 55

5.4. Diagrama línea CAN: .......................................................................... 56

5.5. Diagrama Pulmón:............................................................................... 57

6. Programación: ........................................................................................... 60

6.1. Software: ............................................................................................. 60

6.1.1. Configuración: ........................................................................... 60

6.1.2. Programa retenedor: ................................................................. 62

6.1.3. Programa plataforma: ................................................................ 63

6.1.4. Programación línea Profibus: .................................................... 66

6.1.5. Programación línea CAN: .......................................................... 71

6.1.6. Programación Pulmón: .............................................................. 71

7. Validación: ................................................................................................. 73

7.1. Pruebas funcionales: ........................................................................... 73

7.2. Pruebas operacionales: ....................................................................... 74

8. Conclusiones: ............................................................................................ 75

9. Bibliografía: ................................................................................................ 76


vii

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES:

Ilustración 1: Evolución industria ........................................................................ 3

Ilustración 2: Arquitectura de un PLC ................................................................. 5

Ilustración 3: PLC Modular ................................................................................. 7

Ilustración 4: PLC compacto............................................................................... 8

Ilustración 5: Ciclo SCAN de un PLC ................................................................. 8

Ilustración 6: segmento ladder ......................................................................... 12

Ilustración 7: ejemplo sentencia IF/ELSE ......................................................... 13

Ilustración 8: Bucle WHILE ............................................................................... 13

Ilustración 9: Bucle FOR .................................................................................. 13

Ilustración 10: Lenguaje SFC ........................................................................... 14

Ilustración 11: Pirámide CIM ............................................................................ 16

Ilustración 12: Niveles señales eléctricas interface RS-485 ............................. 16

Ilustración 13: Par trenzado UTP ..................................................................... 17

Ilustración 14: Trama Serie asíncrona .............................................................. 19

Ilustración 15: sistema maestro/esclavo en Profibus DP .................................. 21

Ilustración 16: Arquitectura Profibus DP ........................................................... 22

Ilustración 17: Topología bus lineal .................................................................. 22

Ilustración 18: Método paso de testigo ............................................................. 23

Ilustración 19: Tipos de tramas Profibus .......................................................... 25

Ilustración 20: Niveles de tensión CAN ............................................................ 26

Ilustración 21: Bus CAN ................................................................................... 26

Ilustración 22: trama de datos CAN formato base ............................................ 27

Ilustración 23: Modelo OSI ............................................................................... 30

Ilustración 24: formato trama Ethernet ............................................................. 32

Ilustración 25: Cable RJ-45 T568B ................................................................... 33

Ilustración 26: cabecera IPv4 ........................................................................... 34

Ilustración 27: Trama Modbus sobre TCP/IP.................................................... 36

Ilustración 28: Célula flexible ............................................................................ 37

Ilustración 29: Islas Advantys ........................................................................... 38

Ilustración 30: Plano líneas Célula ................................................................... 40

Ilustración 31: sensor fotoeléctrico barrera emisor-receptor ............................ 41


viii

Ilustración 32: sensor fotoeléctrico reflexión por espejo ................................... 42

Ilustración 33: Detector inductivo basculante ................................................... 43

Ilustración 34: sensor inductivo con retenedor ................................................. 43

Ilustración 35: Plataforma neumática ............................................................... 44

Ilustración 36: Motores eléctricos cintas transportadoras ................................. 45

Ilustración 37: Cuadro de mando cintas transportadoras ................................. 45

Ilustración 38: Pulmón de almacenamiento ...................................................... 46

Ilustración 39: Sensores Fotoeléctricos de aleta .............................................. 47

Ilustración 40: Actuador lineal .......................................................................... 48

Ilustración 41: Cadena de retención ................................................................. 49

Ilustración 42: Motor cadena de retención ....................................................... 49

Ilustración 43: Motor actuador lineal ................................................................. 50

Ilustración 44: Variador de frecuencia .............................................................. 50

Ilustración 45: Cuadro de mando ..................................................................... 51

Ilustración 46: Diagrama de flujo retenedor ...................................................... 53

Ilustración 47: Diagrama flujo línea Profibus .................................................... 55

Ilustración 48: Diagrama flujo línea CAN .......................................................... 56

Ilustración 49: Condiciones iniciales pulmón .................................................... 57

Ilustración 50: Diagrama carga bandeja ........................................................... 58

Ilustración 51: Descargar bandeja pulmón ....................................................... 59

Ilustración 52: Configuración línea Profibus ..................................................... 61

Ilustración 53: sección cinta central .................................................................. 61

Ilustración 54: Programa de la transición de etapas de los retenedores ......... 62

Ilustración 55. Activación salida retenedor ....................................................... 63

Ilustración 56: programación plataforma caso 1. .............................................. 63

Ilustración 57: Programación plataforma caso 2 .............................................. 64

Ilustración 58: Cinta transportadora transversal ............................................... 64

Ilustración 59: activación salida plataforma PT12 ............................................ 65

Ilustración 60: activación salida plataforma PT06 ............................................ 65

Ilustración 61: Tracking Plataforma PT09 ........................................................ 68

Ilustración 62: Bifurcación tipo 1 ....................................................................... 70

Ilustración 63: Bifurcación tipo 2 ....................................................................... 70


ix

ÍNDICE DE TABLAS:

Tabla 1: lenguaje ladder ................................................................................... 10

Tabla 2: Resumen características Profibus DP ................................................ 23

Tabla 3: Velocidad- longitud bus CAN .............................................................. 27

Tabla 4: código colores cable RJ-45 ................................................................ 33

Tabla 5: Pruebas funcionales ........................................................................... 73

Tabla 6: Pruebas operacionales ....................................................................... 74


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1. Introducción:

1.1. Descripción del trabajo:

El trabajo documentado en esta memoria consiste en un estudio de las etapas

necesarias a la hora de implementar un automatismo programado sobre un

proceso industrial, abarcando desde el diseño, la integración, la programación y

validación.

En concreto, en este caso, el sistema sobre el que desarrolla el estudio es una

célula flexible ubicada en el laboratorio de automatización industrial aplicada de

la Escola Superior d’Enginyeries Industrial, Aeroespacial i Audiovisual de

Terrassa. ESEIAAT, UPC de Terrassa.

1.2. Objetivos del estudio:

El objetivo principal es desarrollar las etapas y procedimientos técnicos

necesarios para la correcta automatización de un proceso industrial, donde

intervienen controladores programables, protocolos de comunicación,

detectores y actuadores.

Para la consecución de este objetivo principal, se identifican tres objetivos

parciales:

- La configuración e integración de los módulos disponibles para poder

realizar la comunicación con el software de programación de los

controladores programables, y hacer posible una aplicación secuencial

sobre el proceso industrial a automatizar y su validación...

- Hacer que la célula funcione de manera automática, sin colisiones entre

componentes.

Implementar una aplicación basada en la ordenación de bandejas según un

número de producto, y a partir de dicha aplicación se procede al

almacenamiento en el pulmón disponible en dicho orden, para luego descargar

los palets del pulmón a la línea en un nuevo ciclo de trabajo.


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1.3. Alcance del estudio:

El alcance del estudio propuesto incluye el seguimiento de las etapas del

proceso industrial que se quiere automatizar, así, se contemplan los siguientes

aspectos

Descripción del proceso industrial a automatizar.

Identificación de los elementos de control, detección, mando, y las

señales del controlador lógico programable ya existentes.

Uso de las comunicaciones industriales existentes: buses de campo que

intervienen en el sistema.

Diseñar los diagramas de flujo del automatismo programable.

Programación del automatismo.

Validación funcional y operacional.

1.4. Requisitos del estudio:

Para realizar el estudio se deben tener en cuenta los requisitos a nivel técnico y

de conocimientos:

Utilización de PLC de Schneider, software Unity Pro XL, y entorno físico

de la célula flexible disponible.

Conocimientos sobre buses de campo y redes Ethernet.

Protocolo Modbus aplicado a RS-485 y TCP/IP.

En términos de programación, robustez en los programas, y que

funcionen de manera automática.


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1.5. Contexto tecnológico:

Las revoluciones industriales indicaron transformaciones del modelo industrial,

con el objetivo de mejorar los procesos productivos.

Durante la primera revolución industrial en el siglo XVIII, se produjeron avances

tecnológicos que implicaron un desarrollo de maquinaria utilizando energía de

vapor.

La segunda revolución industrial marcó cambios trascendentes de las ciencias

y tecnologías en el siglo XX, como la aparición y explotación de los

combustibles fósiles, y el uso de la energía eléctrica en la producción.

En la tercera revolución industrial surgieron las tecnologías de comunicación,

explotando los recursos de la informática y la electrónica, con el objetivo de

automatizar procesos industriales. Todo ello desembocó en la llegada del

primer controlador lógico programable a la industria de la mano de Modicon, lo

que representó un gran avance en la automatización industrial.

La automatización industrial se inició con el objetivo de emplear máquinas

industriales que fuesen capaces de realizar tareas repetitivas y mecánicas, las

cuales siempre eran realizadas por el ser humano. Con ello se consigue una

mayor eficiencia en dichas tareas.

Ilustración 1: Evolución industria


4

La automatización industrial empezó teniendo un gran impacto en la industria

del automóvil, ya que se pretendía lograr la reducción de los tiempos y costes

de fabricación de automóviles, así como el incremento de la producción.

Posteriormente, con la implantación del PC y de internet, se pudo desarrollar

más el campo de la automatización, y tal y como se ha mencionado

anteriormente se introdujo en la industria el primer controlador lógico

programable (PLC).

La aparición de las tecnologías de comunicación y los buses industrial, con sus

respectivos protocolos de red generó la urgencia de transformar los procesos

digitales, de tal forma que la arquitectura de los sistemas de automatización

industrial pudiera interactuar con los sistemas de comunicación en un proceso

productivo.

Para conseguir establecer una eficiencia en los procesos productivos, se

elaboró una estructura de niveles jerárquicos, con el objetivo de definir una red

industrial con mejor fiabilidad, así como estandarizar las características de las

tecnologías de comunicación.

1.5.1. Industria 4.0:

La industria 4.0, también conocida como la cuarta revolución industrial,

determina una nueva etapa en la industria de la humanidad, donde la

automatización industrial juega un papel de máxima importancia.

La industria 4.0 se centra sobre la implementación de nuevas tecnologías, con

la implantación de fábricas inteligentes (Smart Factories), con el objetivo de

hacer que las máquinas intercambien información entre sí, y poder adaptarse a

los requerimientos de la producción en tiempo real.

Para ello es necesario un alto nivel de comunicaciones entre los equipos de red

y los medios de producción.


5

2. Consideraciones previas, el controlador

lógico programable:

Un PLC es un computador industrial programable que mediante el

procesamiento de unas señales de Entrada/salida, permite controlar un

proceso industrial secuencial de forma automática.

El PLC almacena información de las señales de entrada (captadores), y la

trasmite a las señales de salida (actuadores), para que en función de los

captadores y las ordenes de programación se pueda controlar un proceso

industrial de forma secuencial.

2.1. Antecedentes:

Los PLC se implementaron en los años 60 para la sustitución de la circuitería

con relés lógicos electromecánicos e interruptores utilizando la lógica

combinacional, que eran los sistemas convencionales en aquella época, en la

cual la tecnología no había llegado hasta el punto de poder prescindir del

conexionado punto a punto.

Ilustración 2: Arquitectura de un PLC


6

El fin con el que los PLC se implementaron fue para poder conseguir que un

sistema pueda trabajar de forma autónoma mediante unas órdenes de control

dadas por un usuario, y ejecutadas por el controlador. De esta forma también

se consigue liberar al ser humano de tareas mecanizadas y repetitivas.

En los años 70 surgieron los PLC en la automoción, para conseguir reducir los

costes de fabricación de automóviles, ya que se necesitaba un sistema con

robustez, y que fuese modificable de manera sencilla. Así surgió el primer PLC,

que fue nombrado MODICON 084, el cual fue utilizado en procesos industriales

en 1968.

A partir de entonces aparecieron los protocolos de comunicación, para que

fuera posible formar una red de controladores, donde los PLC pueden

intercambiar información entre ellos, lo que hace más sencillo el control de un

proceso industrial en tiempo real.

El PLC trabaja con una serie de instrucciones, que según las ordenes de

control, permite la ejecución de aplicaciones, las cuales hace posible el

funcionamiento de un proceso industrial de forma secuencial.

Para la interacción del usuario sobre el PLC, se diseñó el lenguaje Ladder, que

es muy intuitivo y similar a los diagramas esquemáticos de los circuitos con

lógica cableada mediante relés, con lo cual resultaba más sencilla la

programación de un PLC.

2.1.1. Evolución:

Actualmente los PLC son un referente a nivel de automatización de procesos,

ya que están dotados de sistemas de comunicación entre sí, considerándolos

ordenadores industriales. La tendencia actual es crear sistemas industriales

utilizando redes de controladores programables.

También se han desarrollado sistemas SCADA, donde la interfaz HMI hace

posible la monitorización y control de un proceso productivo en tiempo real,

mediante pantallas táctiles.


7

2.1.2. Fabricantes:

Siemens: La compañía alemana Siemens es una de las principales en

la fabricación de autómatas en el ámbito internacional. Fabrican PLC

conocidos como S7, también disponen de software de alto nivel como

Tia Portal.

Schneider electrics: Fabricante francés también importante en el sector

de la automatización industrial. En este proyecto todos los PLC

utilizados son de tipo BMX de la marca Schneider con el software Unity

Pro XL.

Omron: La empresa japonesa Omron surgió como fabricante de

componentes electrónicos, pero ha extendido su mercado con la

fabricación de PLC industriales.

2.1.3. Tipos de PLC:

En la industria existen diferentes tipos de PLC, aunque se pueden diferenciar

en 2 grandes tipos:

Modulares: Estos PLC de gama alta están divididos en ciertos módulos,

lo que les hace más flexibles.

De esta forma resulta sencillo ampliar el sistema, ya que se pueden

añadir módulos en el caso de que se necesiten mas señales de

entrada/salida en el proceso, o cualquier otra necesidad de ampliación.

Compactos: PLC basados en una estructura compacta de todos los

elementos, con señales de entrada/salida limitadas.

Ilustración 3: PLC Modular


8

2.1.4. Elementos de un PLC:

Un controlador lógico programable consta de diferentes bloques

interconectados entre sí, los cuales tienen diferentes funciones en un proceso

de ejecución de los programas de usuario:

2.1.4.1. Unidad central del proceso (CPU):

Un elemento fundamental de un PLC es la unidad central del proceso (CPU),

que es considerado el cerebro del PLC, donde se halla el microprocesador, que

hace posible la correcta lectura del programa de usuario ejecutando un control

de errores de software y hardware.

Previamente a la ejecución del programa ejecuta la lectura de las entradas, las

cuales son almacenadas en la memoria RAM volátil. Los datos del programa de

usuario son almacenados en la memoria interna de la CPU (usualmente

EEPROM).

Ciclo de SCAN: tiempo que tarda un autómata programable en ejecutar

todas las operaciones de programa:

Ilustración 5: Ciclo SCAN de un PLC

Ilustración 4: PLC compacto


9

Las salidas del programa se actualizan en cada ciclo de Scan del autómata.

2.1.4.1.1. Tipos de memoria:

Memoria RAM: memoria de acceso aleatorio. Dicha memoria almacena

los datos del programa de usuario durante su evaluación. Es una

memoria volátil, con lo cual su contenido desaparece una vez se pierde

el suministro de energía eléctrica con la CPU.

Memoria EPROM: memoria de solo lectura, programable y se puede

borrar. La memoria EPROM es no volátil, con lo cual conserva el

contenido cuando hay desconexión eléctrica de la CPU.

En esta memoria se almacena el programa de usuario una vez

generado y analizado. Para eliminar el contenido de la EPROM es

necesaria la exposición a rayos ultravioletas.

Memoria EEPROM: similar a la EPROM, pero esta memoria puede ser

borrada y reprogramada eléctricamente, no es necesario emitir rayos

ultravioletas.

2.1.4.2. Módulos E/S:

Los Módulos de entrada/salida tienen la función de conectar las señales del

PLC con los componentes físicos del sistema.

Los módulos de entrada/ salida pueden ser analógicos o digitales, cuya

elección se hace según las señales que se utilicen en el proceso industrial.

Los módulos de entrada recogen la información del estado de las señales de

entrada, y en función de dichas señales, por órdenes de programa, ejecutan la

activación de las salidas correspondientes del modulo de salidas.


10

2.1.4.3. Bastidor:

El rack (bastidor), es un elemento sobre el que se montan todos los módulos

del PLC. Dispone de slots, que son las ranuras donde se introduce el modulo

correspondiente.

El bastidor se encarga de que mecánicamente los módulos estén

correctamente fijados, y también las interconexiones eléctricas necesarias

entre algunos módulos.

2.2. Lenguajes de programación:

Cuando aparecieron los PLC, surgió el lenguaje ladder, que es muy intuitivo y

similar a los diagramas esquemáticos de circuitos con automatismos cableados

(relés).

Actualmente existen más tipos de lenguajes de programación. Algunos de los

más utilizados en la industria son:

Ladder: Lenguaje de contactos anteriormente nombrado. Fue el primer

lenguaje de programación que surgió con los PLC, dada su similitud con

un esquema de relés. Algunos elementos relevantes són:

Tabla 1: lenguaje ladder

Identificación Símbolo Función

Contacto NO

Tipo BOOL. Estado 0 en reposo.

Transfiere conexión cuando está en

estado 1.

Contacto NC

Tipo BOOL. Estado 1 en reposo.

Transfiere conexión cuando está en

estado 0.

Flanco positivo

Transfiere conexión en la transición

de estado 0 a 1 de la variable

asociada, durante un ciclo de scan.

Flanco negativo

Transfiere conexión en la transición

de estado 1 a 0 de la variable

asociada, durante un ciclo de scan.


11

Bobina

Se activa cuando hay conexión en la

entrada, y se transfiere a la salida.

Bobina set


entrada. Su estado de activación es

1 y aunque pierda la conexión

permanece en estado 1 hasta que se

active el reset de la misma variable.

Bobina reset



0, y aunque pierda la conexión

permanece en estado 0.

Bobina negativa

Se activa cuando hay conexión a la


0. Cuando no está activa, el estado

de la variable asociada es 1.

Temporizador TON

Temporizador con retardo a la

conexión:

IN: cuando se produce

conexión a esta entrada

empieza a contar el tiempo.

Q: salida del temporizador.

Se activa una vez transcurre

el tiempo.

PT: tiempo establecido.

ET: tiempo actual.

Temporizador TOF

Temporizador con retardo a la

desconexión:

IN: cuando se produce

conexión a esta entrada

empieza a contar el tiempo.

Q: salida del temporizador.

Se activa cuando recibe

conexión en la entrada IN.

Se desactiva una vez

transcurre el tiempo.

PT: tiempo establecido.

ET: tiempo actual.


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Contador CTUD

Contador incrementa/decremental:

CU: incrementa contador.

CD: decrementa contador.

R: reset contador.

LD: cargar valor al contador.

PV: valor de preselección del

contador.

CV: valor actual de conteo.

QU: activación salía cuando

se realiza un conteo en CU.

QD: activación salía cuando

se realiza un conteo en CD.

El lenguaje ladder está organizado por segmentos, que són ejecutados de

arriba hacia abajo y de derecha a izquierda. Un ejemplo de un segmento

sencillo en una línea de programa sería:

ST: Lenguaje de alto nivel similar a C, lenguaje de texto estructurado

con sentencias de control, bucles, etc.

Es un lenguaje que permite multitud de posibilidades de programación

distinta, y aporta más robustez a las aplicaciones, ya que tiene menos

restricciones que el resto de lenguajes.

Algunas de las sentencias más utilizadas són:

o IF: Sentencia de control, que ejecuta una acción si se cumple una

condición.

ELSE: en el caso de que no se cumpla la condición,

ejecuta una acción diferente.

Ilustración 6: segmento ladder


13

El ejemplo indica que si la variable booleana vale 1, otra

variable se suma una unidad, y si la condición no se cumple pone

la variable a 0.

o While: bucle de repetición. Mientras una condición sea cierta,

ejecuta una acción cíclicamente hasta que no se cumpla la

condición.

El ejemplo indica que mientras la variable booleana suma sea

otra variable se irá sumando una unidad hasta que la condición

no sea cierta.

o FOR: bucle de repetición. Se utiliza con una variable contador

que indica el número de veces que realiza el bucle, o hasta que

se cumpa una condición predeterminada.

Es útil para moverse por las posiciones de un vector.

Como se puede ver, se utiliza una variable que marca la posición

actual, y hace la función de recorrer el vector y poner todos los

coeficientes del vector de 10 posiciones con un valor 1.

Ilustración 7: ejemplo sentencia IF/ELSE

Ilustración 8: Bucle WHILE

Ilustración 9: Bucle FOR


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Bombilla_ON

bombilla_encendida

Bombilla_OFF

bombilla_apagada

SFC: lenguaje de programación mediante diagramas de bloques

secuencial (GRAFCET), en el que intervienen 3 elementos importantes:

o Etapas: división del proceso industrial en pequeños subprocesos.

o Transiciones. Condiciones para poder cambiar de etapa.

o Acciones: activaciones de señales de salida en cada etapa, por

ejemplo activar una electroválvula de un cilindro neumático, o un

piloto de señalización.

Ilustración 10: Lenguaje SFC


15

3. Consideraciones previas, las comunicaciones

Industriales:

En la industria las comunicaciones juegan un papel fundamental para que un

proceso industrial automatizado pueda funcionar a pleno rendimiento, ya que

es la forma en la que los diferentes sistemas que intervienen en el proceso

pueden comunicarse entre sí, transmitiendo la información de todo el sistema a

tiempo real.

Existen 3 características importantes en la aplicación de un sistema de

comunicación de datos industrial:

Velocidad de datos: cantidad de datos en la red por cada envío.

Velocidad de transmisión: velocidad a la que se produce la

transferencia de datos en la red.

Velocidad de respuesta: velocidad dada por el tiempo que tarda en

responder el dispositivo a una orden realizada.

Dado que en cada sistema puede existir un grado de restricción en estas

características, existen unos niveles de comunicación de datos para poder

cumplir con las exigencias en cada caso.

La pirámide de comunicaciones (CIM), establece una estructura de niveles en

la fabricación. Los cinco grandes niveles son:

Fábrica: formado por ordenadores con gran volumen de datos tanto a

nivel de fábrica, como de ingeniería. Redes WAN.

Planta: formado por ordenadores a nivel de redes LAN.

Célula: es una ampliación del nivel de campo.

Campo: incluye los PLC’s, con buses de campo (profibus, CAN, etc…).

Proceso: Buses de sensores y actuadores (A-si).


16

3.1. Norma física RS-485:

RS-485 es un estándar de comunicaciones ubicado en la capa física de

comunicación, la cual fue introducida en 1983.

Se trata de una interface de topología multipunto capaz de permitir la

comunicación entre 32 equipos con emisor y receptor en un bus de

comunicación. Dado que el bus de datos es común para todos los equipos, se

dispone de un estado de habilitación para evitar posibles colisiones entre datos

en el canal de comunicación.

La norma RS-485 igual que sus predecesoras, también permite eliminar los

ruidos que pueden interferir en el canal de comunicación.

Los niveles de las señales eléctricas de la norma RS-485 son:

Ilustración 11: Pirámide CIM

Ilustración 12: Niveles señales eléctricas interface RS-485


17

Protocolo Half-Duplex:

La norma RS-485 utiliza un protocolo de transmisión de datos Half-Duplex,

cuyas características son:

Conexión a 2 hilos, con masa común.

Transmisión Half-Duplex: cada equipo puede enviar y recibir, sin

embargo no es posible simultáneamente.

Norma RS-485 permite la configuración de una red de hasta 64

dispositivos, con 32 emisores y 32 receptores.

Dato resultante de comunicación obtenido de la diferencia de señal

eléctrica entre los dos hilos del canal de comunicación (señal diferencial

balanceada).

Velocidades permitidas de hasta 100 Kbps para distancias de 1200 m, y

hasta 10 Mbps para distancias de 15 m.

El medio físico utilizado en la norma RS-485 es el cableado con par trenzado

tipo UTP, que consiste en grupos de conductores de cobre con aislamiento

entrelazados en pares, de tal forma que se evitan las interferencias de señales

externas, y así se consigue una mejor transmisión de datos.

En la norma RS-485 se utiliza en este caso un par trenzado apantallado, ya

que al ser una trasmisión Half-Duplex no se pueden enviar datos y recibir al

mismo tiempo.

Ilustración 13: Par trenzado UTP


18

Métodos de transmisión:

Transmisión serie:

o La transmisión se realiza bit a bit, con una línea de

comunicación.

o Es la más utilizada para transmisión de datos a larga distancia.

o Volumen de datos bajo.

Transmisión paralelo:

o Transmisión se realiza de carácter (8 Bytes), a otro carácter.

o Transmisión de bits simultanea.

o Necesidad de las mismas líneas de comunicación que numero de

caracteres.

o Longitudes bajas (máximo 20 metros).

o Velocidades más elevadas que en la transmisión serie.

Pese a que la transmisión en paralelo posee altas velocidades, en la norma

RS-485 se utiliza con transmisión serie, ya que resulta mucho menos costosa

su instalación. Además al ser la norma RS-485 una interface física industrial, la

comunicación serie posee más fiabilidad.

Transmisión serie:

En la transmisión serie se necesita un canal de comunicación entre emisor y

receptor.

Para la sincronización entre los equipos de la red existe una señal de reloj, que

se puede configurar de dos formas diferentes: asíncrona y síncrona.

Transmisión serie asíncrona: Configuración local de los parámetros de

cada equipo de la red (señal de reloj deshabilitada).

o Bit de START: Bit en estado 0 lógico. Es una señal enviada por

el emisor de datos a los demás equipos, indica el

empaquetamiento de datos.

o Bits de datos: Indica la longitud de bits de cada carácter de

transmisión según el código ASCII (configuración 7 u 8 bits).


19

o Bit de paridad: bit enviado posteriormente a los bits de datos.

Realiza un control de errores.

Estados bit paridad:

Paridad PAR

Paridad IMPAR

No hay paridad (NONE).

o Bit de STOP: Bit que se envía al final de la comunicación,

posterior al bit de paridad, si existe. Este bit pone la señal

eléctrica a nivel alto (bit estado 1 lógico), que es el estado normal

de la señal de comunicación cuando no hay ningún dato en

transmisión.

Posteriormente se puede ver un ejemplo de una trama de

comunicación serie asíncrona:

Transmisión síncrona: en este tipo de transmisión se configura la señal

de reloj individual para cada emisor con el resto de equipos de la red. La

configuración de la señal de reloj puede ser de dos tipos:

o Señal de reloj independiente: es una señal que une el emisor

con el resto de equipos y sincroniza el envío y la recepción de los

datos.

o Señal de reloj en los datos: sistemas con reloj propio en el que

se utiliza una codificación Manchester para detectar la velocidad

de transmisión de los datos por el canal de comunicación.

Ilustración 14: Trama Serie asíncrona


20

3.2. Buses de campo:

La función principal de un bus de campo es simplificar la instalación del

conexionado punto a punto de los elementos de un proceso industrial., y

conseguir automatizar un proceso en tiempo real, de tal forma que los PLC

que forman una red consigan intercambiar información entre sí.

3.2.1. Profibus DP:

Profibus DP (periferia descentralizada) es un estándar abierto de

comunicaciones para buses de campo que se emplea para la interconexión de

dispositivos de campo de entrada y salida:

En cuanto a su medio físico, trabaja bajo las especificaciones de la norma

física RS-485. Se usa un par diferencial con cable trenzado, previsto para

comunicación Half-duplex, cuya velocidad de transmisión varía entre

9.6Kbits/s y 12Mbits/s. Se colocan unas resistencias terminadoras en cada

extremo de la red.

Se aplica para el intercambio de un volumen medio de datos a gran velocidad

entre un controlador principal, que actúa como maestro de la red, y el resto de

equipos conectados y distribuidos por la red Profibus son denominados

esclavos.

Profibus DP siempre diagnostica un posible error en la red o en algún

dispositivo durante la comunicación de un dato, así como también es inmune al

ruido que pueda interferir en el canal de comunicación.

Profibus DP incluye dos tipos de dispositivos en la red de comunicación:

Activos: dispositivos controladores de la red, los cuales inician la

comunicación y preguntan por la información a los elementos pasivos.

Existe un modelo de equipos activos:

o Maestros DP clase 1 (DPM1): Autómata programable que tiene

asignadas funciones de control a los esclavos de la red.


21

o Maestros DP clase 2 (DPM2): equipos con funciones de

configuración y diagnóstico. Unidades específicas de

programación.

Pasivos: dispositivos esclavos que no pueden iniciar la comunicación,

pero pueden responder a las peticiones de los maestros. Existe un

modelo de dispositivos pasivos:

o Esclavo DP: Dispositivo que ejecuta la lectura del estado de sus

entradas, y envía información a las salidas que están conectadas

en el.

Un ejemplo de un sistema maestro–esclavo con profibus DP sería el siguiente:

Arquitectura:

El protocolo profibus-DP sigue la siguiente arquitectura a nivel de OSI:

Capa 1: Medio físico de transmisión, que es RS-485 con fibra óptica

Capa 2: protocolo de enlace al bus, Fieldbus Data Link (FDL). Establece

el recorrido del testigo (token).

No se aplican las capas desde la 3 hasta la 7.

Ilustración 15: sistema maestro/esclavo en Profibus DP


22

Topologia de red:

La topología de red es la representación física de la manera de intercambiar

datos dentro de una red industrial.

En profibus DP se pueden utilizar dos tipos de topologías de red:

Bus lineal: se trata de una línea de comunicación donde van

conectados todos los nodos de la red. El bus admite 32 equipos, pero se

puede expandir hasta 127 mediante repetidores.

Árbol: Se puede considerar un sistema de bus con un único maestro.

Ilustración 16: Arquitectura Profibus DP

Ilustración 17: Topología bus lineal


23

Método acceso al bus:

Hasta ahora se había mencionado el método de transmisión de datos mediante

maestro-esclavo, que es el protocolo que sigue profibus en la comunicación

entre el maestro de la red y los esclavos.

En sistemas multimaestro Profibus DP utiliza el método de acceso al bus de

paso de testigo (token) para la comunicación entre los maestros de la red.

Cuando una estación posee el testigo, las demás estaciones estarán actuando

como esclavos, incluyendo el resto de equipos maestros que no poseen el

testigo.

A continuación se puede ver la representación del método de paso de testigo:

Tabla 2: Resumen características Profibus DP

Característica: Profibus DP norma EN 50 170:

Método acceso: Paso testigo entre maestros, y maestro-

esclavo

Velocidad transmisión: 9,6 kbit/s hasta 12 Mbit/s

Volumen datos: Hasta 246 bytes

Longitud trama : hasta 255 bytes

Nº máximo de equipos: 32 estaciones por segmento, en total 127

usando repetidores

Ilustración 18: Método paso de testigo


24

Profibus DP V2 (Última versión):

La última versión de profibus DP surgió en 2002, cuyos maestros pueden

realizar las siguientes funciones:

Configuración.

Parametrización.

Lectura cíclica de salidas.

Lectura datos diagnóstico.

Lectura/escritura acíclica.

Reconocimiento alarmas.

Sincronización reloj entre todos los equipos.

Comunicación directa entre los esclavos.

Trama Profibus DP:

La trama de datos de profibus DP se clasifica en 3 tipos:

Longitud fija sin campo de datos.

Longitud fija con campo de datos.

Longitud variable con campo de datos.

Transmisión asíncrona: caracteres de 11 bits (Bit Start, 8 bits de datos, bit de

paridad, bit Stop).

A continuación se puede observar un ejemplo de los tipos de tramas de

Profibus:

Tamaño de la red: Eléctrica: 9,6 km

Óptica: 150 km

Medio transmisión: Eléctrico: par trenzado apantallado

Óptico: cables fibra óptica

Sin cables: infrarrojos

Tiempo ciclo: 5-10 ms

Topología: Bus lineal, árbol. Con resistencias

terminadoras


25

3.2.2. Bus CAN:

CAN surgió en la automoción, fue desarrollada por el alemán Robert Bosch a

través del protocolo Intel. Su robustez y su topología de bus mediante el

método de acceso múltiple a la red lo hacían muy útil en sistemas

automatizados en tiempo real.

Actualmente CAN es muy utilizado por fabricantes de controladores

industriales, tanto en sistemas digitales, como en sistemas distribuidos de

tiempo real.

En cuanto al medio físico, el bus CAN trabaja con una línea de bus a dos hilos

trenzados, los cuales se denominan:

CAN_high ( CAN_H): Señal de nivel alto.

CAN_low (CAN_L): Señal de nivel bajo.

Niveles de tensión:

El bus de tensión de un sistema CAN tiene dos estados:

Ilustración 19: Tipos de tramas Profibus


26

Dominante: en estado dominante se produce una diferencia de tensión

entre los cables de nivel alto y nivel bajo. Tensión diferencial de 2 V

aproximadamente.

Recesivo: Señales de nivel alto y bajo están en el mismo nivel. Tensión

diferencial aproximadamente 0V.

Existen 2 tipos de buses según su velocidad:

CAN de baja velocidad (hasta 125 kbit/s).

CAN de alta velocidad (hasta 1 Mbit/s).

La estructura del bus CAN con los nodos sería la siguiente:

Ilustración 20: Niveles de tensión CAN

Ilustración 21: Bus CAN


27

El bus CAN permite la conexión de hasta 128 equipos en la red (1 maestro y

127 esclavos). La velocidad de transmisión viene determinada por una tabla

según las longitudes y el tipo de cables utilizados.

Tabla 3: Velocidad- longitud bus CAN

Velocidad de transmisión

Tiempo de bit Longitud máxima

1 Mbps 1 µs 30 m

800 kbps 1.25 µs 50 m

500 kbps 2 µs 100 m

250 kbps 4 µs 250 m

125 kbps 8 µs 500 m

Tramas Bus CAN:

En el bus CAN existen cuatro tipos de tramas de información:

Trama de datos: estas tramas son las que incluyen la información que

circula por el canal de comunicación.

Existen dos formatos de la trama de datos:

o Formato base: trama de datos más corta, que tiene los siguientes

campos:

Ilustración 22: trama de datos CAN formato base


28

SOF (start of frame): 1 bit que marca el incio de la trama.

Arbitration field: Campo que define las prioridades la trama.

Está formado por los siguientes bits:

Identificador: 11 bits de identificación. También

representan la prioridad de la trama.

RTR: 1 bit de petición de transmisión remota. El bit

está en estado 0 (dominante) para la trama de

datos, y a 1 (recesivo) para tramas remotas.

Control field: Campo de control de la trama. Contiene los

siguientes bits:

IDE: bit de extensión de identificador. En formato

base el bit debe estar a 0 (dominante).

R0: bit reservado.

DLC: 4 bits que indican el numero de bytes de datos

a enviar. Valor entre 0 y 8.

Data: Datos de la trama, que están entre 0 y 64 bits, cuya

longitud de los datos a enviar viene dada por el código

DLC o el de longitud de datos.

CRC field:

15 bits de verificación por redundancia cíclica.

Código que indica la correcta transmisión de los

datos.

Delimitador CRC: bit siempre en estado 1 (recesivo).

ACK field: Campo de reconocimiento de datos obtenidos.

ACK: bit de acuse de recibo del mensaje. Debe

estar en estado 1 (recesivo) para el emisor, y en

estado 0 (dominante) para el receptor.

Delimitador ACK: debe estar en estado 1 (recesivo).

EOF (end of frame): 7 bits que indican el fin de la trama.

Deben estar todos los bits en estado 1 (recesivo).

o Formato extendido: trama más extensa. La mayoría de campos

coinciden con el formato base, aunque tienen algunas diferencias:


29

dos identificadores: uno de 11 bits, y otro segundo

identificador de 18 bits, lo que hace un total de 29 bits

para la identificación.

SRR: Dispone de un bit de sustitución de transmisión

remota, que debe estar en estado 1 (recesivo).

Trama remota:

El formato de la trama es el mismo que en la trama de datos, pero con el

bit RTR en estado 1 (recesivo). Además la trama remota no requiere de

bits de datos, va implícito dentro del código de longitud de datos (DLC).

Trama de error:

Son tramas generadas cuando un nodo detecta un mensaje erróneo.

Contiene los siguientes campos:

o Error flag: son los bits indicadores de error, que se clasifican en

2 tipos:

Activos: 6 bits en estado 0 (dominante). Detectan error en

el fin de la trama (EOF).

Pasivos: 6 bits en estado 1 (recesivo). Detectan error en el

campo de reconocimiento (ACK).

Trama de sobrecarga:

Similar a una trama de error activo, pero la trama de sobrecarga siempre

se debe generar en el espacio entre una trama y otra, ya que ofrece un

retardo a las tramas.

Separación entre tramas: se basa en separar una trama de datos de la

siguiente trama remota, que están separadas por 3 bits recesivos. Las

tramas de error y sobrecarga no cumplen la separación entre tramas


30

CANOpen:

Protocolo utilizado en el bus CAN. En CANopen se utiliza el método de acceso

al medio CSMA/CD, que es de acceso múltiple. Consiste en una lectura bit a bit

del mensaje, y si se detectan diferencias entre transmisor y receptor, pasa

arbitrariamente a otro receptor.

Modelo Comunicaciones CANopen:

Maestro/esclavo: Un único maestro. Resto de equipos de la red son

esclavos.

Cliente/servidor: solo 2 equipos, un cliente hace una petición y un

servidor ejecuta una tarea.

Productor/consumidor: Dispone de un productor y uno o varios

consumidores.

3.3. Modelo OSI:

Teniendo en cuenta las dificultades que entrañaban las comunicaciones entre

redes de distintas características, no se conseguía transmitir la información

correctamente. Para ello se estableció un modelo de una serie de capas, en las

cuales se emplea un protocolo para cada una de ellas. De esta forma se

pueden estandarizan las comunicaciones entre distintos sistemas industriales.

El modelo OSI es un estándar de comunicaciones para la interconexión de

sistemas abiertos, que fue creado en 1983 por ISO, el cual consta de 7 capas:

Ilustración 23: Modelo OSI


31

Capa 1 – Física: El nivel más bajo del modelo OSI. Se encarga de la

topología de la red que se va a utilizar, y las conexiones desde el PC a

la red:

o Garantizar la conexión, sin garantizar el rendimiento.

o Medio físico de la conexión (cableado, normativa).

o Características materiales, y funcionales de la interface.

o Transmisión de flujo de bits.

o Señales eléctricas entre las conexiones.

Capa 2 - Enlace: Fiabilidad en la transmisión de datos,

direccionamiento, control de errores, y control de flujo de datos.

Capa 3 - Red: Capa que se encarga del enrutamiento de la información

entre redes.

Capa 4 - Transporte: Transporte de los datos hasta el equipo de

destino.

Capa 5 - Sesión: Se encarga de controlar el enlace entre dos equipos

que están en sesión de ejecución de una transmisión de datos.

Capa 6 - Presentación: Tiene como objetivo hacer que la

representación de los datos sea legible y entendible por cualquier

sistema, independientemente de la red física utilizada.

Se podría decir que esta capa es el traductor de la información para que

la máquina de destino pueda reconocer los datos.

La capa de presentación cumple 3 requisitos de tratamiento de los datos

obtenidos:

o Formatear la información

o Cifrado de datos

o Comprimir los datos.

Capa 7 - Aplicación: Se encarga de definir los protocolos de

intercambio de datos.


32

3.4. Ethernet:

Ethernet es una estándar de redes de área local, que utiliza el método de

acceso al medio de acceso múltiple (CSMA/CD).

Ethernet define las características del medio físico y las comunicaciones al

nivel de enlace, así como los formatos de las tramas de datos del sistema,

siguiendo el modelo OSI.

Trama Ethernet:

El formato de la trama Ethernet es el siguiente:

Preámbulo: conjunto de bits identificadores de la red Ethernet.

Inicio trama (SOF): 8 bits delimitadores de inicio de trama, que terminan

en dos bits en estado 1. Sincronización de la recepción de la trama.

Direcciones destino y origen: Direcciones físicas de las máquinas de

envío y destino.

Tipo: especifica protocolo de la capa superior.

Datos: datos de la trama. Ethernet mínimo 46 bytes.

Secuencia de verificación (FCS): contiene un código de redundancia

cíclia (CRC) de 4 bytes, generado por el emisor para el control de

errores en la trama. El Checksum (verificación) de la cabecera IP lo

identifica como mensaje IP. Tamaño máximo paquetes en Ethernet de

1500 bytes.

Ilustración 24: formato trama Ethernet


33

3.4.1. Modelo OSI en Ethernet:

El modelo OSI para las redes Ethernet tiene la estructura similar al modelo OSI

original:

3.4.1.1. Medio físico:

Ethernet utiliza como medio físico un cable denominado RJ45, que dispone de

8 pines.

3.4.1.1.1. Cableado RJ45:

RJ-45 es una interfaz física que se utiliza usualmente para cables de red

Ethernet. Hay dos tipos de cables de red: directos y cruzados. En este caso los

cables utilizados son directos.

El cable de red Ethernet tiene 8 pines, que son terminaciones para 4 pares

trenzados:

Los cables de red directos de este sistema cumplen la normativa EIA/TIA-568B,

que tiene el siguiente código de colores:

Tabla 4: código colores cable RJ-45

Pin Color

1 Blanco y naranja

2 Naranja

3 Blanco y verde

4 Azul

5 Blanco y azul

6 Verde

7 Blanco y marrón

8 Marrón

Ilustración 25: Cable RJ-45 T568B


34

3.4.1.2. Protocolo IP:

El protocolo de internet (IP) está clasificado en la capa de red del modelo OSI.

IP es el encargado de la distribución de paquetes nombrados datagramas en

campos de 4 bytes.

Para poder realizar el envío almacena la información del paquete en

direcciones, fragmentando los datos si es necesario. El protocolo IP gestiona la

IP del origen y de destino de los datagramas. Para la gestión de los

datagramas por la red son necesarios los routers.

El protocolo IP también puede recibir datos de la capa de transporte, que tiene

asociado el protocolo TCP.

Direcciones IP:

Conjunto de números que identifican una interfaz de red de un dispositivo que

utiliza el protocolo IP.

Las direcciones IP se representan con el formato XXX.XXX.XXX.XXX, donde

cada conjunto de números separados por un punto corresponde a 8 bits

binarios que en decimal es un digito que va de 0 a 255. Los 4 conjuntos de 8

bits se denominan octetos, con lo cual una dirección IP contiene 32 bits.

IPv4 es la versión del protocolo IP que se utiliza en este estudio, la cual tiene la

cabecera:

Ilustración 26: cabecera IPv4


35

3.4.1.3. Protocolo TCP:

Protocolo de control de la transmisión, que opera en la capa de transporte del

modelo OSI. Tiene la función de que la transmisión se realice sin errores y en

el orden correcto de transmisión. El protocolo IP envía a TCP los datos en

segmentos.

Características TCP:

Permite ordenar segmentos de datos que recibe del protocolo IP.

Monitoreo de datos.

Longitud variable de los segmentos de datos.

En caso de segmentos de gran tamaño, fracciona dichos segmentos

formando datagramas

3.4.1.4. Modbus:

Modbus es un protocolo de comunicaciones que trabaja en los niveles 1

(Físico), 2 (enlace) y 7(aplicación) del modelo OSI. Fue diseñado en 1979 para

los PLC de Modicon, para uso en aplicaciones industriales.

Modbus se utiliza para la comunicación interna entre dispositivos electrónicos,

que pueden ser PLC u otro tipo de controladores industriales.

Modbus posee la gran ventaja de que puede manejar grandes bloques de

datos sin restricciones. El protocolo modbus es capaz de control grandes redes

de equipos y crear bases de datos en un PC. Trabaja con la topología

maestro/esclavo.

En modbus cada equipo tiene una dirección y puede enviar datos, aunque

usualmente hay un equipo maestro. Al enviar una trama todos los equipos la

reciben, pero solo la ejecuta el nodo receptor. Hay una excepción que es el

broadcast, que hace que se puedan enviar datos simultáneamente a varios

receptores.

En cuanto al medio físico, modbus en este caso funciona acorde a las

especificaciones de la norma física RS-485, anteriormente mencionada en la

comunicación con el bus de campo profibus DP.


36

Modbus TCP/IP:

Para la comunicación entre redes Ethernet se utiliza el protocolo modbus

encapsulado sobre TCP, formando Modbus TCP/IP, que es el protocolo

utilizado para enviar datos entre los PLC de la célula.

Trama modus TCP/IP:

La trama de modbus sobre redes Ethernet mediante protocolo TCP/IP sería de

la siguiente manera:

Identificador de transacción: longitud 2 bytes. Sincronización entre

cliente y servidor.

Identificación protocolo: longitud de 2 bytes. Valor 0 indica protocolo

Modbus TCP/IP.

Longitud de campo: Longitud 2 bytes. Indica número de bytes en la

trama actual.

Trama Modbus:

o Dirección: Byte de dirección del esclavo.

o Código de función: 1 byte de códigos de función.

o Bytes de datos: número determinado de bytes de datos de

respuesta.

o Checksum (verificación): En este caso no es necesario ya que

las capas inferiores ya disponen de protección de suma de

verificación checksum.

Ilustración 27: Trama Modbus sobre TCP/IP


37

4. Descripción del sistema:

El sistema está formado por dos grandes bloques principales: la célula flexible

y el pulmón.

4.1. Célula flexible:

La célula está compuesta de estaciones de trabajo, y está controlada por

PLC’S, los cuales trabajan con distintos buses de comunicación a nivel de

campo. En este caso se trabaja con Profibus DP, CAN, y el estándar de redes

Ethernet para el ciclo del pulmón. Hay una pequeña estación que trabaja con el

bus de sensores y actuadores A-si, pero para este proyecto no se va a utilizar

dicha línea.

La célula está planteada para uso académico, no obstante está aplicada a un

posible caso real en la industria, ya que pretende simular el funcionamiento de

una línea de producción de piezas, que son transportadas por palets por las

diferentes estaciones de trabajo.

Se dispone de distintas cintas transportadoras principales, que delimitan las

líneas de trabajo. Una cinta es controlada por profibus DP, y dispone de 2 islas

de entradas y salidas, donde van conectados los elementos de control y mando

de la línea. Hay zonas de las cintas, que son puntos de comunicación de dos

líneas, donde se traslada el estado de las señales que van a intervenir en el

siguiente proceso.

Ilustración 28: Célula flexible


38

Ciclo del recorrido de los palets:

Los palets se pueden introducir manualmente desde la línea profibus, o bien

pueden ser descargados por el pulmón. Cuando son introducidos en la línea

profibus se colocan en la plataforma PT08, y circulan por la célula según las

ordenes de programa.

Posteriormente los palets van llegando a la línea CAN, en la plataforma PT15,

para luego poder ser almacenados en el pulmón según las necesidades de la

línea.

4.1.1. Islas Advantys:

Las islas Advantys son periferias de entrada/salida, que están conectadas a los

PLC principales mediante Ethernet. Son islas Schneider del tipo STB. A

continuación de un ejemplo de una periferia:

4.1.2. Líneas:

Profibus DP: Comprende las estaciones 5,6 y 7, con sus respectivas

islas Advantys.

Ilustración 29: Islas Advantys


39

Puntos de comunicación con línea CAN:

La línea profibus comunica con la línea CAN en la plataforma neumática

PT07, donde mediante una orden de programa a la línea CAN le envía el

estado de la plataforma siguiente (PT08), para que si no hay ningún

palet presente en dicha plataforma, pueda ser transferido a la PT08, y el

palet entra en la línea profibus DP.

Hay otro punto de comunicación entre profibus y CAN en la PT14, donde

la profibus envía una orden de programa a la línea CAN, para saber si la

siguiente plataforma de la línea CAN (PT15), está disponible para que el

palet pueda ser traspasado de la PT14 a la plataforma PT15. Una vez el

palet es transferido a la PT15, entra en la línea CAN.

CAN: Comprende las Estaciones 1, 2, 3 y 4. Además de la

comunicación explicada en el apartado de profibus DP, la línea CAN

también comunica con la línea A-si, y con el pulmón.

Ethernet: El pulmón trabaja en dicha línea y tiene la función de cargar

las piezas que le llegan desde la línea CAN, y también descargarlas

sobre la propia línea CAN.


40

Las flechas indican la dirección de la bandeja por la célula.

Ilustración 30: Plano líneas Célula


41

4.1.3. Componentes:

La célula dispone de componentes de detección, accionamiento, elementos

neumáticos, etc. Todos los elementos hacen posible el funcionamiento de la

célula, mediante las órdenes de programa que se ejecuten para dichos

componentes.

4.1.3.1. Sensores:

Elementos captadores de las señales físicas del proceso industrial, las cuales

son procesadas por los módulos de entradas del PLC, para que el programa

almacene su estado, con el objetivo de transmitir dicho estado a los actuadores

siempre siguiendo las órdenes del programa de usuario.

4.1.3.1.1. Sensores Fotoeléctricos:

Sensores de detección de objetos mediante haces de luz. Existen dos tipos

principales de sensores fotoeléctricos:

Barrera emisor-receptor: se basa en dos componentes, los cuales uno

emite un haz de luz y el receptor percibe la luz emitida. El emisor y el

receptor están separados una cierta distancia, que es lugar por donde

pasa el objeto. Cuando el objete se sitúe en medio del emisor y receptor,

la luz reflejada en el receptor debe ser mucho menor que en el emisor,

ya que el objeto hace de pantalla. En ese momento se produce la

detección.

Reflexión espejo: El emisor y el receptor son el mismo componente. El

mecanismo de este sensor se basa en que cuando pasa un objeto, hace

reflejar la luz de vuelta al emisor, y entra en estado de detección.

Mientras no se detecte ningún objeto, la luz no se refleja al emisor.

Ilustración 31: sensor fotoeléctrico barrera emisor-receptor


42

4.1.3.1.2. Sensores inductivos:

Los sensores inductivos tienen la función de detectar objetos metálicos cuando

pasan por encima de dicho sensor, ya que el sensor tiene una bobina interna,

que cuando circula corriente por ella se genera un campo magnético. Cuando

un metal se coloca en la zona de detección del sensor, a causa de las

corrientes de Focault, se genera un campo magnético en la dirección opuesta

al que genera la bobina. Entonces se genera una variación de la amplitud de

onda del sensor, entrando en etapa de detección.

Cuando la señal del sensor está conectada a un PLC Se ha de tener en cuenta

el tipo de sensor:

Normalmente abierto (NO): su estado de reposo es un 0 lógico, y

cuando entra en estado de detección pasa a estado 1 lógico.

Normalmente cerrado (NC): es la inversa del NO, su estado reposo es

1, y al entrar en detección pasa a 0.

En la célula se utilizan sensores inductivos, para detectar el paso de una

bandeja metálica en un retenedor. Hay una variante que es el detector

inductivo basculante, que se utiliza para detectar el palet en una plataforma

neumática. Está insertado en un mecanismo basculante que al llegar una

bandeja es desplazado y hace que cambie el estado de la señal ya sea un

sensor normalmente abierto o cerrado.

Ilustración 32: sensor fotoeléctrico reflexión por espejo


43

Los sensores de la célula disponen de un retenedor, que es un actuador

neumático, concretamente un cilindro de simple efecto activado mediante

electroválvula, y con retorno por muelle. Cuando pasa una bandeja por el

sensor, según las ordenes de programa el retenedor baja para dejar que la

bandeja pase a la siguiente estación.

4.1.3.2. Pre actuadores:

Son los elementos que mediante una señal eléctrica permite la activación de

los actuadores.

Electroválvulas: válvulas electromecánicas que permiten controlar el

paso de un fluido. La activación de un relé solenoide produce un cambio

del estado de la válvula, la cual puede estar abierta, que en tal caso

permite el paso del fluido, o cerrada, que no deja pasar el fluido.

Ilustración 34: sensor inductivo con retenedor

Ilustración 33: Detector inductivo basculante


44

4.1.3.3. Actuadores neumáticos:

Retenedores: Como se ha mencionado en el apartado anterior, son

cilindros neumáticos de simple efecto con retorno por muelle.

Plataformas: plataformas neumáticas que se encuentran en las cintas

transportadoras.

Pueden ser de simple efecto, las cuales tienen 2 posiciones: posición de

reposo y subida, o de doble efecto con 3 posiciones: subida, reposo y

bajada.

Cuando una bandeja circula por la cinta y se encuentra una plataforma,

según las ordenes de programa dejará pasar la bandeja bajando la

plataforma.

Las plataformas neumáticas tienen un sensor inductivo para detectar la

llegada de la bandeja a dicha plataforma.

4.1.3.4. Motores:

Los motores eléctricos trifásicos se utilizan para la activación de las cintas

transportadoras, que hacen posible el desplazamiento de las bandejas

metálicas por la célula. Las plataformas neumáticas también disponen de cintas

transportadores con sus respectivos motores.

Ilustración 35: Plataforma neumática


45

4.1.3.5. Elementos de mando y señalización:

La célula dispone de una botonera, donde se hallan 3 pulsadores para activar

los motores de las tres cintas transportadoras principales con sus respectivos

pulsadores de paro, y un pulsador de parada de emergencia.

Ilustración 36: Motores eléctricos cintas transportadoras

Ilustración 37: Cuadro de mando cintas transportadoras


46

4.2. Pulmón:

El pulmón consiste en un almacenador de palets, que mediante 4 cadenas de

retención montadas sobre dos ejes, y accionadas por un motor eléctrico,

puede cargar o descargar palets según las necesidades del proceso productivo

en ejecución.

4.2.1. Componentes:

El pulmón dispone de una serie de componentes para su funcionamiento, igual

que la célula.

4.2.1.1. Sensores: Elementos captadores de la señal, como anteriormente se mencionó para la

célula flexible:

Sensores Fotoeléctricos: Hay distintos tipos de sensores fotoeléctricos

instalados en el pulmón.

o Barrera emisor-receptor: se utilizan para detectar las aletas de

la cadena de retención. Hay tres sensores de este tipo en el

pulmón:

Ilustración 38: Pulmón de almacenamiento


47

Detector cadena retención lenta en carga: cuando está

cargando una bandeja, y la aleta de la cadena es

detectada, disminuye su velocidad. En la ilustración está

situado delante de los otros sensores.

Detector parada cadena de retención: Cuando la aleta

es detectada en este sensor, se detiene la cadena de

retención. En la ilustración es el sensor que está situado en

el centro.

Detector cadena retención lenta en descarga: cuando

está descargando una bandeja, y la aleta de la cadena es

detectada, disminuye su velocidad. En la ilustración es el

que está situado detrás de los otros sensores.

o Reflexión por espejo: hay 2 sensores de este tipo: En la parte

superior e inferior: indican si el pulmón está lleno o vacío.

Ilustración 39: Sensores Fotoeléctricos de aleta


48

Sensores inductivos: Los sensores con retenedor mencionados

anteriormente en la célula flexible.

4.2.1.2. Actuadores:

Actuador lineal: Es un cilindro eléctrico activado mediante un

servomotor. Tiene la función de levantar la bandeja para que la cadena

de retención la pueda cargar, o también para poder descargar la

bandeja.

Cadena de retención: tal y como se ha mencionado en anteriores

apartados, se trata de cuatro cadenas montadas sobre dos ejes

motores, que se activan mediante un motor eléctrico.

La cadena de retención dispone de aletas con una distancia de

separación simétrica. En dichas aletas es donde se alojan las bandejas

que se pueden cargar o descargar.

Ilustración 40: Actuador lineal


49

4.2.1.3. Motores:

Motor cadena de retención: La cadena de retención es activada por un

motor eléctrico que dispone de un freno de seguridad. Para mover la

cadena de retención hay que desenclavar el freno.

Motor actuador líneal: El actuador lineal se activa mediante un

servomotor, que funciona mediante dos encoders.

Ilustración 41: Cadena de retención

Ilustración 42: Motor cadena de retención


50

4.2.1.4. Variador de frecuencia:

El variador de frecuencia es elemento que gestiona las velocidades de la

cadena de retención con las frecuencias de 20 Hz para velocidad rápida, y 5 Hz

para velocidades lentas, aunque los parámetros pueden ser modificados

manualmente.

El variador de frecuencia tiene conectados las señales de activación de los

motores, y a s vez las señales que recibe del PLC.

Ilustración 43: Motor actuador lineal

Ilustración 44: Variador de frecuencia


51

4.2.1.5. Elementos de mando y señalización:

Cuadro de mando: El pulmón tiene un cuadro de mando, el cual se

puede utilizar para ejecutar el ciclo manual de programa, ya que dispone

de los siguientes elementos de mando:

o Pulsadores:

Condiciones iniciales

Subir / bajar actuador lineal

Subir / bajar cadena de retención

Selector ciclo manual/automático

Seta de emergencia

Rearme

o Pilotos de señalización:

Condiciones iniciales

Puertas abiertas

Cadena retención/actuador lineal en marcha

Bloqueo variador de frecuencia

Fallo protecciones de los motores

Pulmón lleno/vacío

Ilustración 45: Cuadro de mando


52

5. Diseño del automatismo programable:

En esta sección se incluyen los diseños de los automatismos que se

consideran para programar sobre el sistema disponible..

El diseño del automatismo se debe hacer como paso previo a la programación

de cada una de las aplicaciones que se consideren, ya que para elaborar el

programa de automatización se ha de trabajar sobre el diseño realizado.

Para ello se elaboran diagramas de flujo, que consisten en dividir la aplicación

considerada en un conjunto de acciones, las cuales se organizan en etapas, y

las cuales tienen una condición para pasar de una a otra, que se denomina

transición.

Cada etapa desarrolla una o varias acciones en el proceso, por ejemplo activar

una salida digital del PLC (i.e. para bajar un cilindro neumático, activar un relé,

o activar un piloto de señalización).

Funcionamiento de la célula flexible:

En la célula los elementos principales son los conjuntos de sensores inductivos

con retenedor, y las plataformas neumáticas. Para poder gestionar los

movimientos de las bandejas por la línea, se debe elaborar un proceso que

elabore las transiciones que deben cumplir los retenedores y las plataformas,

para que la bandeja pueda circular o bloquearse según las condiciones.

5.1. Diagrama sensor/retenedor:

EL método de programación propuesto para el conjunto de sensores y los

retenedores se basa en tres estados del sensor/retenedor:

Reposo (REST): estado en el que no hay detección en el sensor, que es

en el estado que se encuentra al inicio del proceso.

Petición (READY): es el estado en el que se encuentra en el momento

que se produce una detección de bandeja en el sensor. Es un estado

para consultar la existencia de otra bandeja en la siguiente estación, ya

que no puede ponerse en movimiento hasta que no esté libre la

siguiente posición.


53

Avance (MOVE): Periodo donde la bandeja está en movimiento, hasta

llegar a la siguiente posición.

A continuación se puede observar el diagrama de flujo del sistema

sensor/retenedor:

Reposo

Deteccion_sensor_S1

Peticion

Posicion2_libre

Avance

S1_deja_detectar

Avance_reposo

Deteccion_sensor_S1Llega_posicion2

Avance_peticion

Llega_posicion2

Ilustración 46: Diagrama de flujo retenedor


54

Coincidencia de dos estados: Como se puede observar en el diagrama de

flujo, hay ciertos momentos donde en el sistema el sensor/retenedor está en

dos estados a la vez, ya que en el proceso puede haber multitud de

bandejas circulando por la línea.

Avance-reposo: Cuando el retenedor está en avance, solo se activa

la salida del retenedor durante un pequeño tiempo hasta que el

sensor deje de detectar, ya que la bandeja dispone de una ranura en

el extremo que hace que el retenedor bloquee la bandeja. Una vez

pasa esa ranura, el retenedor puede volver a subir, y no bloqueará la

bandeja ni el sensor la detectará. Esto se hace por seguridad, ya que

en caso contrario podría haber colisión con otra pieza.

Cuando se deja de detectar bandeja, el retenedor pasa a estado

reposo pero se mantiene el avance hasta que llegue a la siguiente

posición.

Avance-petición: Se produce cuando la bandeja esta en movimiento

hacia la siguiente posición y se produce la detección de la bandeja

de la posición anterior, entonces el retenedor pasa a estado petición,

pero no desactiva el avance, ya que no ha llegado a la siguiente

posición. Cuando llega a la siguiente posición se desactiva el avance,

y permanece en petición hasta que la siguiente posición esté

disponible.

5.2. Diagrama plataforma:

Es el mismo método utilizado en los retenedores, ya que tiene los mismos 3

estados: reposo, petición y avance. También se produce la coincidencia de dos

estados de avance-reposo, y avance-petición.

La diferencia es que el detector inductivo es basculante, y que hay plataformas

que tienen 3 estados.


55

PT08

PTI08_MOVE

DIR10

PT09

PTI09_MOVE

DIR11

DIRI10_MOVE

DIRI11_MOVE

DIR12

DIRI12_MOVE

PT10

PTI10_MOVE PTI10_MOVE_right

PTI09_MOVE_right

DIR14

DIRI14_MOVE

PT11

PTI11_MOVE

DIR16

DIRI16_MOVE

DIR17

DIRI17_MOVE

PT12

DIR13

DIRI13_MOVE

PT14

PTI12_MOVE

DIR18

DIRI18_MOVE

PT13

PTI13_MOVE

DIR19

DIRI19_MOVE

PTI14_MOVE

CAN

PT07_MOVE

5.3. Diagrama línea profibus:

La línea profibus está delimitada desde la plataforma PT08 hasta la PT14 (ver

ilustración 9). Entonces se trata de hacer un diagrama de flujo principal basado

en una sucesión de etapas, y dentro de cada etapa se encontrará su diagrama

de flujo, que puede ser un retenedor (DIR…) o una plataforma (PT…).

Ilustración 47: Diagrama flujo línea Profibus


56

PT15

PT15_MOVE

DIRI20

DIR20_MOVE

PT16

PT16_MOVE PT16_MOVE_right

PT17 PT04

PT17_MOVE

DIRI21

DIR21_MOVE

PT07

PT04_MOVE

DIR04

DIR04_MOVE

PT05

DIR05

PULMON

DIR09

DIR06_MOVE

DIR05_MOVE

PT05_MOVEPT07_MOVE

DIR09_MOVE

PROFIBUS

PT14_MOVE

PT06

PT06_MOVEPT05_MOVE...

DIR08

DIR08_MOVE

5.4. Diagrama línea CAN:

La línea CAN comienza en la plataforma PT15, y termina en la PT07. Se

elabora de la misma manera que el de profibus pero siguiendo el recorrido de

las etapas de la línea CAN (ver ilustración 9):

Ilustración 48: Diagrama flujo línea CAN


57

5.5. Diagrama Pulmón:

El pulmón se divide en 3 diagramas principales:

Condiciones iniciales: el sistema tiene unos requisitos iniciales para

el inicio de un ciclo de trabajo.

Para que el sistema se ponga en condicionales se debe pulsar el

botón verde de condiciones iniciales de la botonera, entonces el

sistema seguirá las siguientes fases:

o Actuador lineal abajo

o Cadena retención con una aleta en posición de carga.

Reposo

boton_iniciales

act_lineal

act_lineal_abajo

subir_cad_ret_rapida

detector_lenta

subir_cad_ret_lenta

detector_parada

Etapa_0

Piloto_c_iniciales

PROCESO

Desconexion

Ilustración 49: Condiciones iniciales pulmón


58

Condiciones iniciales:

deja pasar pieza hacia el

pulmón.

Deja pasar el palet por el

retenedor

Detecta fotoeléctrico parada,

detiene la cadena de retención

detecta fotoelectrico lenta, sube

cadena de retención velocidad

lenta

Sube actuador l ineal

desbloquea freno motor, y sube

cadena de retención velocidad

rapida

Etapa_00

Etapa_1

actuador_arriba

Etapa_2

Detector_fo_lenta

Etapa_3

Detector_fo_parada

Etapa_4

deteccion_retenedor

actuador_abajoNo_cargar_palet

Etapa_5

No_detecta_pieza

Cargar palet: a continuación se puede observar el diagrama de flujo

de la carga de una bandeja al pulmón.

Ilustración 50: Diagrama carga bandeja


59

Condiciones iniciales:

Si hay petición de descargar

palet pasa a etapa6.

subir el actuador l ineal

Desbloquear freno, y bajar

cadena de retención a

velocidad rápida

Bajar cadena retención a

velocidad lenta.

Detener cadena de retención y

bajar actuador l ineal

bajar retenedor para dejar pasar

la bandeja descargada

Etapa00

peticion_descarga_palet

Etapa_6

actuador_arriba

Etapa_7

detector_fo_lenta

Etapa_8

detector_fo_parada

Etapa_9

actuador_abajo

Etapa_10

No_detecta_pieza

Descargar palet: Diagrama de flujo de la descarga de una bandeja

del pulmón.

Ilustración 51: Descargar bandeja pulmón


60

6. Programación:

Posteriormente al diseño realizado, se deben traducir dichos diseños a

lenguaje de programación ladder. Para ello se han utilizado marcas de

programa, que son señales de memoria, las cuales pueden actuar como

salidas y entradas dependiendo del método de programación del proceso.

Se ha decidido estructurar el programa en secciones según su aplicación en el

sistema, de tal manera que se pueda tener una estructura ordenada de las

funciones que se realizan.

Para la programación de los retenedores, se ha decidido el lenguaje ladder, ya

que resulta más intuitivo utilizar contactos y bobinas para definir las

transiciones y la activación de las salidas correspondientes.

Descripción aplicación de ordenación de piezas:

Una vez las líneas estén automatizadas y el pulmón en funcionamiento. se

elabora una aplicación de carácter académico que trata de ordenar las piezas,

de tal forma que se puedan cargar en el pulmón en dicho orden. Para ello

sabiendo en qué punto se encuentra en cada pieza se trata de elaborar una

función que relacione los números de las bandejas.

Una vez las bandejas están cargadas en el pulmón se define un nuevo orden

de trabajo para ejecutar un nuevo ciclo.

6.1. Software:

El software utilizado es el Unity pro XL, que es el usual para PLC de Schneider.

El entorno de programación está basado en proyectos. En este caso se

necesita un proyecto diferente para cada línea (Profibus DP, CAN y el pulmón).

6.1.1. Configuración:

Lo primero que hay que configurar al abrir el Unity pro xl, es añadir los módulos

del PLC dependiendo del proyecto que sea. Para ello se entra en configuración

en el apartado 0: Bus PLC, y se van insertando los módulos necesarios. Se

puede ver un ejemplo de la línea profibus con sus módulos insertados en el bus

del sistema:


61

Cada proyecto está organizado por secciones, que es donde se elaboran los

programas. Al crear una sección te da una serie de lenguajes de programación

para la sección:

Ladder (LD), estructurado (ST), Grafcet (SFC), y lenguaje de bloques (FBD). A

continuación se puede ver un ejemplo ce la creación de la sección de la cinta

central de la línea Profibus:

Ilustración 52: Configuración línea Profibus

Ilustración 53: sección cinta central


62

6.1.2. Programa retenedor:

Transición etapas de un retenedor (ejemplo DIR20):

1. Estado reposo (DIR20_REST): al inicio siempre está activado.

2. Estado petición (DIR20_READY): se alcanza cuando está en estado

reposo, y se produce una detección en el sensor inductivo (DIR20).

3. Estado avance (DIR20_MOVE) se alcanza en las siguientes

condiciones:

a. Está en estado de petición, y no está en avance.

b. Siguiente posición en reposo (PT16_REST).

c. Señal de bloqueo de seguridad del retenedor desactivada.

d. No hay parada de emergencia.

Cuando está en avance y deja de detectar el sensor, pasa a estado

avance_reposo hasta que detecte el sensor de la plataforma PT16.

Activaciones salidas:

Si el retenedor está en avance (DIR20_MOVE), y no hay ningún otro estado a

la vez, baja el retenedor hasta que deje de detectar la bandeja y pase 1

segundo del temporizador a la desconexión.

Ilustración 54: Programa de la transición de etapas de los retenedores


63

6.1.3. Programa plataforma:

Transición etapas:

1. Estado reposo (PT…_REST): estado de inicio de ciclo.

2. Estado petición (PT…_READY): se produce cuando se encuentra en

estado reposo hay detección en el sensor inductivo basculante (DIB06).

3. Estado avance (PT…_MOVE): se alcanza en las siguientes condiciones:

a. Está en estado de petición, y no está en avance.

b. Siguiente posición en reposo (PT…_REST o DIR…REST).

c. Señal de bloqueo de seguridad plataforma desactivada.

d. No hay paro de emergencia.

En el reset del estado de avance hay dos casos de programación:

caso 1: cuando deja de detectar el sensor de la plataforma, pasa a

estado avance_reposo. A continuación se puede ver un ejemplo de

programación de una plataforma (PT15) aplicando el caso 1:

Ilustración 55. Activación salida retenedor

Ilustración 56: programación plataforma caso 1.


64

caso 2: No se activa el reposo hasta que no llegue a la siguiente

estación. Se utiliza para los cambios de cinta en las cintas

transversales.

Activaciones salidas:

En la activación de la salida de la plataforma se debe tener en cuenta si es de 2

estados (subida y reposo), o de 3 estados (subida, reposo y bajada). También

se deben tener en cuenta las cintas transportadoras transversales.

Las cintas transportadoras transversales sirven para cambiar de una cinta a

otra, y para que una bandeja pueda pasar por las cintas transversales ha de

estar en estado de subida.

Ilustración 58: Cinta

transportadora transversal

Ilustración 57: Programación plataforma caso 2


65

Las plataformas de 2 estados se clasifican en 2 casos según su estado al inicio

de un ciclo de trabajo:

Estado inicial subida: las plataformas que simplemente dejan pasar

una bandeja sin pasar por las cintas transversales deben tener un

estado inicial de subida cuando la plataforma no está en avance, por

si han de bloquear la bandeja, o por si reciben la bandeja desde una

cinta transversal. Cuando la plataforma está en estado de avance

debe estar en reposo para dejar avanzar la bandeja. Un ejemplo

sería la PT12:

Se puede observar que cuando la PT12 está en avance, y no está

activado ningún estado más a la vez, desactiva el estado de subida

de la plataforma.

Estado inicial reposo: se utiliza para las plataformas que deben

pasar por las cintras transversales para cambiar de cinta al dejar

pasar la bandeja. Dichas plataformas deben estar en estado de

reposo cuando la plataforma no está en estado de avance, para dejar

que la bandeja llegue. Para que la bandeja avance, cuando la

plataforma esté en avance debe subir la plataforma para pasar por la

cinta transversal. Un ejemplo sería la PT06:

Ilustración 59: activación salida plataforma PT12

Ilustración 60: activación salida plataforma PT06


66

Cuando PT06 está en avance sin ningún estado a la vez activado,

activa la subida de la plataforma.

Las plataformas de 3 estados también pueden tener el estado de reposo inicial

o el de subida. Se diferencian en que tiene 2 señales de activación, la señal de

subida y bajada.

6.1.4. Programación línea Profibus:

Una vez hecho el diagrama de flujo de la línea profibus, hay que traducirlo a

lenguaje ladder o estructurado dependiendo del proceso a realizar. El programa

de la línea profibus está compuesto por las siguientes secciones:

Reset: sección en lenguaje estructurado (ST). Se utiliza para

inicializar las variables de programa que sean necesarias de un

estado inicial concreto. Se actualizan en cada ciclo de Scan.

Se deben inicializar las variables de los estados de los

retenedores/plataformas:

o Reposo (REST) debe estar en estado 1 al inicio del ciclo.

o Petición (READY) y avance (MOVE) deben estar en estado 0

al iniciar el sistema.

Programas cintas transportadoras: Esta sección se ha realizado

en lenguaje ladder (LD), ya que es una sucesión de etapas de

retenedores y plataformas. El sistema dispone de 3 cintas

transportadoras principales. Para cada cinta se deben programar 2

secciones, ya que cada cinta se divide en dos grandes programas:

o Transición etapas: se basa en la transición por las diferentes

estaciones de la célula.

Cinta_central: transición de las estaciones de trabajo

en la central.

Cinta_derecha1: transición estaciones de la cinta

derecha desde la plataforma PT09 a la PT12.

Cinta_derecha2: transición estaciones trabajo desde la

PT12 a la PT14.


67

o Activaciones salidas: activación de las salidas del PLC

necesarias para que los actuadores entren en funcionamiento.

Tracking: sección que se ha decidido elaborar en lenguaje

estructurado (ST), ya que se utilizan sentencias de control y variables

compuestas (vectores).

Esta sección tiene la función de elaborar un seguimiento de las

bandejas, de tal forma que se pueda saber en todo momento donde

esta cada bandeja y en qué punto del proceso.

A la hora de elaborar la función de seguimiento de bandejas, hay que

tener en cuenta las intersecciones que hay en la trayectoria de las

bandejas en la línea profibus (ver plano ilustración 21).

En la línea profibus hay 4 intersecciones, entonces se deben definir

vectores entre cada intersección, tanto en la entrada como de salida.

Si coinciden 2 vectores en un punto solo se define uno. Entonces los

vectores son los siguientes:

PT08 _INICIO: es el vector de inicio del sistema, que indica

que piezas se van a introducir en la célula, y transfiere sus

valores a los siguientes vectores.

PT08 -> PT09: vector de entrada a la plataforma PT09, que

tiene dos direcciones de salida.

PT09 -> PT10: vector seguir recto desde plataforma PT09 a la

PT10. Coincide con el vector de entrada a la PT10.

PT09 -> PT12: vector salida PT09, con bifurcación hacia la

derecha hasta PT12. Coincide con uno de los vectores de

entrada a PT12.

PT10 -> PT14: vector seguir recto desde PT10 hasta la PT14.

PT10 -> PT12: vector de salida PT10 con bifurcación hacia la

derecha hasta la PT12. Coincide con el otro vector de entrada

a PT12.


68

PT12 -> PT14: vector de salida de la PT12, en dirección a la

PT14.

PT14 -> PT15: vector salida PT14. Comunicación con línea

CAN.

Además de los vectores, se necesitan unas variables que vayan

indicando la posición actual del vector, que son los contadores.

Se define un contador para las entradas y salidas de las estaciones

donde se producen intersecciones.

Cada vez que entre una bandeja de la estación en cuestión,

transfiere el valor del vector de entrada correspondiente en la

posición del contador al vector de salida en la posición que indique el

contador, e incrementa el valor del contador para pasar a la siguiente

posición del vector.

A continuación se puede ver un ejemplo para poder comprender

mejor la metodología:

En el ejemplo se tiene el vector de entrada (ArrayPT08_PT09), el

vector de salida (ArrayPT09_PT10), y los respectivos contadores,

uno de entrada (C2_PTI09), y otro de salida (C3_DIRI11).

Ilustración 61: Tracking Plataforma PT09


69

Cuando se produce un flanco positivo del estado de avance recto de

la PT09 (sale una pieza de PT09 a PT10), se transfiere el valor del

vector de entrada en la posición actual del contador de entrada al

vector de salida en la posición actual del vector de salida.

Acto seguido se incrementan los contadores de entrada y salida para

pasar a la siguiente posición de los vectores.

Si el contador de entrada alcanza el valor del total de las piezas que

hay en la célula se pone a 0.

Resumen de las funciones de la sección tracking:

o Definir vectores de máximo 10 posiciones (máximo de piezas

en la línea) en las entradas y salidas de las intersecciones.

o Definir contadores de entrada y salida de las estaciones en

las que se producen intersecciones.

o Si se cumplen las condiciones de entrada o salida pieza

(flanco ascendente de la petición o el avance), transferir valor

vector de entrada en la posición del contador de entrada al

vector de salida en la posición contador de salida.

o Incrementar contadores.

o Reset contador entrada si alcanza el número de piezas

totales.

Ordening: es una función empleada en lenguaje de texto

estructurado (ST) dada la utilización de sentencias de control, que se

basa en una vez realizado el seguimiento de las bandejas, poder

ordenarlas según el número de bandeja indicado en los vectores.

Este algoritmo es empleado únicamente en la línea profibus, que es

la que se encarga de ordenar las piezas.


70

Metodología de programación:

Definir una variable contador que empieza en 1, y marca el

número de pieza actual en el orden correcto: contenido de la

variable ha de ser enviado a la línea Can, para saber si debe

cargar la pieza en el pulmón.

Se compara la variable con el vector en la bifurcación actual.

Coincide valor: avanza la pieza hasta el pulmón.

Si el valor no coincide hay 2 casos posibles:

o Intersección tipo 1:

Tiene 1 entrada y 2 salidas. Cuando llega a la

entrada espera pieza estación anterior. Compara

valores vectores en las 2 posiciones, si el valor

de la estación actual es mayor que la anterior, la

pieza gira hacia la derecha. En caso contrario

avanza recto.

o Intersección tipo 2:

Tiene 2 entradas y 1 salida. Compara los valores

del vector de las 2 entradas. La que tiene el

número de bandeja menor avanza.

Ilustración 62: Bifurcación tipo 1

Ilustración 63: Bifurcación tipo 2


71

6.1.5. Programación línea CAN:

El programa de la línea CAN combina secciones en lenguaje ladder y en

lenguaje estructurado. El programa consta de las siguientes secciones:

Reset: sección en lenguaje estructurado (ST). Se utiliza para

inicializar las variables de programa igual que en la línea Profibus.

Programas de las cintas: programación de las cintas como en la

anterior línea.

Activación salidas: Activación de todas las señales de salida

necesaria, siguiendo el mismo procedimiento que en la línea

profibus.

Tracking: La misma función que en la línea profibus pero con las

estaciones de la línea CAN. En este caso no hay vector de inicio.

Recibe el vector de la línea profibus.

6.1.6. Programación Pulmón:

El programa del pulmón dispone de las siguientes secciones:

Reset: sección en lenguaje estructurado (ST). Se utiliza para inicializar

las variables de programa.

Alarmas: gestión y activación de las alarmas que tiene el sistema para

su seguridad:

o Puertas abiertas:

o Pulmón lleno/vacio.

o Fallo protecciones motores.

o Bloqueo variador de frecuencia.

o Palet con carga.

Estados: Modos de operación del sistema.

o Ciclo manual/automático

o Parada de emergencia

Reposo: Poner el proceso en condiciones iniciales.


72

Cargar_palet: Función de cargar palet en el pulmón. Consiste en

traducir las etapas del diagrama de flujo en lenguaje ladder, que se

utilizan señales de bits de memoria (ejemplo: %MW100.1).

Descargar_palet: Función de descargar palet usando bits de memoria

para generar la sucesión de etapas.

Activación_salidas: Activación de las salidas del PLC necesarias, que

pueden ser activadas con varias condiciones.


73

7. Validación:

La etapa de validación se basa en un diagnóstico de las funciones que se han

ido realizando en el estudio. Define todas las pruebas realizadas a nivel de

funcionamiento o de programación.

7.1. Pruebas funcionales:

Las pruebas funcionales se emplean con los componentes y son

independientes del código realizado. Es una verificación de que los

componentes cumplen la función principal que desempeñan. Las pruebas

funcionales que se han empleado en el proceso son:

Tabla 5: Pruebas funcionales

Prueba Diagnóstico

Detección sensores Funcionalidad correcta

Activación actuadores Los actuadores funcionan

correctamente

Activación motores Motores en funcionamiento óptimo.

Elementos de mando y señalización Funcionalidad correcta.


74

7.2. Pruebas operacionales:

Las pruebas operacionales, se basan en un diagnóstico de las funciones de

programación realizadas. Son pruebas que evalúan una aplicación sobre el

sistema, la cual incluye la sucesión de activaciones de componentes. Las

pruebas funcionales empleadas en el sistema son:

Tabla 6: Pruebas operacionales

Operación Diagnóstico

Programación retenedores/plataformas Funcionalidad correcta

Cargar pieza en el pulmón Funcionalidad correcta

Descargar pieza del pulmón Funcionalidad correcta

Aplicación temporizadores Funcionalidad correcta

Aplicación de contadores Funcionalidad correcta

Seguimiento bandejas Funcionalidad correcta

Ordenación bandejas Funcionalidad correcta


75

8. Conclusiones:

Como conclusión, este proyecto se ha enfocado en la aplicación de las

tecnologías de comunicación a nivel de campo para poder aplicarlas sobre un

proceso industrial.

Se ha conocido el funcionamiento de los PLC y su impacto tanto en la

automatización industrial, como a nivel de gestión de procesos productivos. El

estudio también ha hecho referencia a los protocolos de red utilizados en las

redes industriales.

Se han cumplido las expectativas en el sentido de que la línea puede trabajar

de manera automática y en comunicación con el pulmón, y también se ha

implementado el algoritmo de ordenación de las bandejas con un resultado

satisfactorio.

Posible continuación del estudio:

Implementación de un nuevo controlador programable de Schneider para la

línea profibus, con el fin de añadir nuevas señales en los controladores y

ofrecer más posibilidades al proceso industrial.

Otra posible continuación es diseñar aplicaciones que impliquen diferentes

tratamientos en las estaciones de trabajo, como la implementación de una

plataforma de pesado de piezas presente en la célula flexible. Con ello se

puede ampliar la funcionalidad de la aplicación.


76

9. Bibliografía:

[1] ieec.es. Información sobre PLC. [En línea] [01/09/2019]. Recuperada de:

<http://www.ieec.uned.es/investigacion/Dipseil/PAC/archivos/Informacion_de_r

eferencia_ISE6_1_2.pdf>

[2] logicbus.com. Automatización. [En línea] [10/09/2019]. Recuperada de:

<https://www.logicbus.com.mx/automatizacion.php>

[3] logicbus.com. Automatización. [En línea] [10/09/2019]. Recuperada de:

<https://www.logicbus.com.mx/automatizacion.php>

[4] Infoplc.net. Ciclo de Scan autómatas. [En línea] [15/09/2019]. Recuperada

de: <https://www.infoplc.net/blogs-automatizacion/item/101930-ciclo-scan-

automata-plc>

[5] wikipedia.org. Sensor inuctivo. [En línea] [17/09/2019]. Recuperada de:

<https://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_inductivo>

[6] Keyence.com. Sensor fotoeléctrico. [En línea] [17/09/2019]. Recuperada de:

<https://www.keyence.com.mx/ss/products/sensor/sensorbasics/photoelectric/in

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estudio de las etapas de automatización de un proceso

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